Лиття металу: процес, способи, методи

Метал - основа всієї сучасної цивілізації. За рік сучасне людство видобуває і переробляє таку кількість одного тільки заліза, що перш весь світ колупав б його не менше кількох століть. І ця потреба цілком виправдана, тому що на одне лише будівництво йде неймовірна кількість стали. Не дивно, що лиття металу в таких умовах постійно вдосконалюється.

Трохи історії

Найважливішу особливість заліза приймати, застигаючи, «запропоновану» йому форму, людина помітила ще в найдавніші часи. Сьогодні практично всі вчені припускають, що початкове знайомство людини з металом відбулося завдяки метеоритів. Метеоритне залізо було плавким, його було легко обробляти, так що основи лиття деякі зароджуються цивілізації вивчали ще дуже давно.

У нашій країні лиття металу споконвіку було справою шановним і почесним, до цього ремесла люди завжди ставилися з великою повагою. Широко відомі «Цар-гармата» і «Цар-дзвін», котрі є шедеврами ливарного майстерності російських майстрів, нехай навіть один з них ніколи не дзвонив, а другий - не стріляв. Уральські ж ливарники за царювання Петра Першого придбали особливу популярність в якості постачальників надійного зброї для армії. Втім, цей титул вони цілком по праву носять і зараз. Перш ніж ми розглянемо основні види лиття металів, необхідно сказати кілька слів про необхідні характеристики сировини.

Яким повинен бути метал для лиття

Найважливіша властивість металу, який передбачається використовувати для лиття, - його плинність. Сплав в розплавленому вигляді повинен максимально легко перетікати з одного тигля в інший, заповнюючи при цьому його найдрібніші виїмки. Чим вище плинність, тим тонше стінки можна зробити у готового виробу. З металом, який розтікається погано, набагато складніше. У звичайних умовах він встигає схопитися значно раніше, ніж заповнить всі проміжки форми. Саме з цією складністю промисловці стикаються, коли виконують лиття сплавів металів.

Не дивно, що саме чавун став улюбленим матеріалом ливарників. А все тому, що у цього сплаву чудова текучість, через що працювати з ним щодо просто. Сталь далеко не настільки текуча, а тому для повного заповнення форми (щоб не було каверн і пустот) доводиться вдаватися до самих різних хитрощів.

У найпростішому випадку, коли потрібно домашнє лиття металу, сировину розплавляють і маленькими порціях виливають у воду: так, зокрема, можна виготовити грузила для риболовлі. Але даний метод порівняно широко використовується навіть в збройової промисловості! З вершини спеціальної вежі, по контурах нагадує градірню, також дозовано починає виливатися розплавлений метал. Висота споруди така, що до землі долітає ідеально сформована крапелька, вже охолола. Саме так проводиться в промислових обсягах дріб.

«Земляний» метод лиття

Найбільш простим і древнім способом є лиття металу в землю. Але «простота» його - щодо умовне поняття, так як робота ця вимагає гранично ретельної підготовки. Що під нею мається на увазі?

Спершу в модельному цеху робиться повнорозмірна і максимально докладна модель майбутнього виливка. Причому розмір її повинен бути трохи більше того виробу, який має вийти, так як метал при охолодженні буде осідати. Як правило, модель роблять рознімною, з двох половинок.

Як тільки з цим покінчено, готують спеціальну формувальну суміш. Якщо у майбутнього виробу повинні бути внутрішні порожнини і порожнечі, то доведеться готувати ще й стрижні, а також додатковий формувальний складу. Вони повинні тимчасово заповнити ті ділянки, які в готовій деталі «пустують». Якщо вас цікавить лиття металів в домашніх умовах, обов`язково пам`ятайте про цю обставину, так як в противному випадку вже заповнену опоку може просто розірвати тиском, причому наслідки цього можуть виявитися дуже сумними.

З чого виготовляються формувальні суміші?

Основою служать різні сорти пісків і глин, а також сполучні склади. В їх ролі можуть виступати масла натуральні і синтетичні, оліфа, смола, каніфоль, та хоч дьоготь.

Далі настає час формувальників, в завдання яких входить виготовлення ливарних форм. Якщо пояснювати простіше, то робиться це так: береться дерев`яний ящик, в нього кладеться половинка від форми (вона ж роз`ємна), а проміжки між стінками моделі і форми забиваються формувальних складом.

Те ж саме роблять з другою половиною і скріплюють обидві частини штирями. Важливо зауважити, що в ту частину форми, яка при заливці виявиться нагорі, вставляють два спеціальних конуса. Один з них служить для заливання розплавленого металу, другий - для виходу розширюються газів.

Закінчення підготовчого етапу

А зараз настає час чи не для найвідповідальнішої частини операції. Опоки дуже акуратно роз`єднують, намагаючись не допускати порушення цілісності формувальної суміші. Після цього в землі залишаються два чітких і докладних відбитка майбутньої деталі. Після цього їх покривають особливою фарбою. Робиться це, щоб розплавлений метал не вступав в безпосереднє зіткнення із землею формувальної суміші. Цього технологія лиття металів допускати не повинна, так як в противному випадку якість готового виробу може значно погіршуватися.

Якщо в цьому є необхідність, в цей же час прорізається додатковий літніковий прохід, необхідний для заливки розплаву. Опоки знову складають і максимально міцно з`єднують. Як тільки формувальнасуміш злегка підсохне, можна приступати до лиття.

початок лиття

Спершу в вагранках, тобто спеціальних печах, розплавляють чавунні заготовки. Якщо ж потрібно відливати сталь, то сировину плавлять в доменних, мартенівських, інверторних і інших печах. Щоб привести в стан розплаву кольорові метали, використовують спеціалізовані плавильні пристрою.

Все, можна приступати до лиття. Якщо форма одна, то розплав туди вливають ковшем, в індивідуальному порядку. В інших же випадках, як правило, організовується конвеєр: або стрічка з заготовками йде під ковшем, або ж ківш рухається над рядами опок. Тут все залежить виключно від організації виробництва. Коли приходить час і метал остигає, його виймають з форми. В принципі, цей метод ідеальний в тих випадках, коли потрібно лиття металів в домашніх умовах (для кузні, наприклад). Чогось більш досконалого в таких умовах домогтися все одно не вийде.

Піскоструминними або шліфувальними машинами з готового виробу знімається окалина та пристала формувальнасуміш. До речі кажучи, цей метод активно застосовувався при виробництві танків під час Великої Вітчизняної війни. Саме так робили литі вежі, причому простота і технологічність даного процесу дозволяла випускати величезну кількість бойових машин, які були так потрібні фронту. Які ще існують види лиття металів?

Лиття в кокіль

Але нині використовують набагато досконаліші і технологічні способи виробництва литий продукції. Наприклад, лиття металу в кокіль. В принципі, цей спосіб багато в чому нагадує описаний нами вище, так як і в цьому випадку використовуються ливарні форми. Тільки при цьому вони металеві, що значно спрощує процес великосерійного виробництва.

Отже, в дві половинки вставляють конуси і стрижні (для заливання металу і утворення пустот), а потім міцно скріплюють їх один з одним. Все, можна приступати до роботи. Особливість даного способу в тому, що тут розплавлений метал надзвичайно швидко застигає, є можливість примусового охолодження форм, а тому і процес випуску йде значно швидше. За допомогою одного тільки кокиля можна отримати сотні, а то й тисячі, виливків, не витрачаючи при цьому багато часу на індивідуальну підготовку форм і формувальних сумішей.

Деякі недоліки методу

Недоліком даного способу лиття є та обставина, що для нього підходять тільки ті види металів, які відрізняються підвищеною плинністю в розплавленому вигляді. Наприклад, для стали годиться тільки виливок під тиском (про неї нижче), так як матеріал цей гарну плинність не володіє взагалі. Під дією стисненого повітря навіть самі «тягучі» сорти стали набагато краще притискають необхідну форму. Погано те, що звичайний кокіль таких екстремальних умов виробництва просто не витримає і розвалиться. А тому доводиться використовувати особливий метод виробництва, про яку ми розповімо трохи нижче.

Лиття під тиском

Як здійснюється лиття - під тиском - металів? Деякі аспекти ми вже розглянули вище, але все ж необхідно розкрити дане питання трохи докладніше. Все досить просто. По-перше, необхідна ливарна форма з якісних сортів стали, яка може бути багатоступінчастої, складної внутрішньої форми. По-друге, необхідно нагнітає обладнання, здатне видавати від семи до семисот МП.

Головною перевагою такого способу виплавки є висока продуктивність. Що ще забезпечує лиття під тиском? Металів в цьому випадку йде значно менше, а якість поверхні готового виробу виходить дуже хорошим. Остання обставина передбачає відмову від складної і досить клопітно процедури очищення і шліфування. З яких матеріалів при цьому методі виробництва краще за все випускати готові вироби і деталі?

Найчастіше застосовують сплави на основі алюмінію, цинку, міді та олова-свинцю (лиття кольорових металів). Температура плавлення у них порівняно невелика, а тому досягається дуже висока технологічність всього процесу. Крім того, у цієї сировини порівняно маленька осадка при охолодженні. Це означає, що можна виробляти деталі з дуже незначними допусками, що при випуску сучасної техніки надзвичайно важливо.

Складність даного методу в тому, що при відділенні готових виробів від прес-форм можливо їх пошкодження. Крім цього, даний спосіб підходить лише для виготовлення деталей з відносно невеликою товщиною стінок. Справа в тому, що товстий шар металу буде вкрай нерівномірно застигати, що зумовить утворення раковин і каверн.

Різновиди установок для «давильні» лиття

Всі машини, які використовуються при цьому методі виливки виробів з металу, поділяються на дві великі групи: з гарячою і холодною ливарної камерою. «Гаряча» різновид найчастіше може бути використана тільки для сплавів на основі цинку. При цьому сама ливарна камера занурена в розпечений метал. Під тиском повітря або особливого поршня він затікає в відливальної порожнину.

Як правило, сильного нагнетательного зусилля при цьому не потрібно, вистачає тиску до 35-70 МПа. Так що форми для лиття металу в цьому випадку можуть бути значно простіше і дешевше, що найсприятливішим чином діє на підсумкову собівартість вироби. У холодних ливарних формах розплавлений метал доводиться «заганяти» вглиб відливальної камери під особливо високим тиском. При цьому воно може досягати 700 МПа.

Де використовуються деталі, отримані методом лиття під тиском?

Вони всюди. У телефонах, комп`ютерах, фотоапаратах і пральних машинах, усюди є деталі, отримані саме ці методом. Особливо широко його використовує машинобудування, в тому числі безпосередньо пов`язане з авіаційної і навіть космічною галуззю. Маса відлитих частин може коливатися від декількох грамів до 50 кілограм (і навіть вище). Чи може використовуватися ще якась «обробка» металів литтям? Так, і способів ще існує чимало.

Лиття по виплавлюваних моделях

Як і в найпершому розглянутому нами випадку, людство здавна знало про метод заливки розплавленого металу в заздалегідь підготовлену модель, зроблену з парафіну або воску. Її просто кладуть в опоку і забивають проміжки формувальної сумішшю. Розплав розчиняє віск і ідеально заповнює весь обсяг первинної заготовки. Даний метод хороший тим, що модель не потрібно діставати з опоки. Крім того, при цьому можливе отримання деталей просто ідеальної якості, даний процес лиття металів порівняно легко автоматизувати.

Лиття в оболонкові форми

Якщо виливок порівняно проста, і «космічної» міцності від готового виробу не потрібно, може бути використаний метод лиття в оболонкові форми. Роблять їх з незапам`ятних часів, причому за основу слід брати дрібний кварцовий пісок і смола. Сьогодні, природно, в якості останньої використовуються різні синтетичні склади.

Потім беруться розбірні металеві моделі, що складаються з двох половинок, і ставляться на поверхню, розігріту приблизно до 300 градусів за шкалою Цельсія. Потім туди ж насипають формувальну суміш (з піску і сухий смоли) так, щоб вона повністю закривала поверхню металевих моделей. Під впливом жару смола плавиться, і в товщі піску виникає досить міцна «опока».

Як тільки все це злегка охолоне, металеві чушки можна виймати, а пісок відправляти на «прожарювання» в піч. Після цього виходять досить міцні форми: з`єднавши дві їх половини, можна заливати в них розплавлений метал. Які ще існують методи лиття металів?

відцентрове лиття

При цьому розплав виливається в особливу форму, яка з дуже високою швидкістю обертається в горизонтальній або вертикальній проекції. В результаті дії потужних равнопріложенних відцентрових сил метал рівномірно затікає в усі проміжки форми, за рахунок чого досягається висока якість готового виробу. Такий спосіб лиття ідеально підходить для випуску різного виду труб. Він дозволяє формувати значно більш рівномірну товщину стінок, чого вкрай складно домогтися, користуючись «статичними» методами.

електрошлакове лиття

Чи існують якісь способи лиття металів, які з повним на те правом можна називати сучасними? Електрошлакове лиття. При цьому рідкий метал спершу отримують, впливаючи на попередньо підготовлену сировину потужними електродуговими розрядами. Може використовуватися і бездуговой метод, коли залізо плавиться від тепла, акумулюється шлаком. А ось на останній-то і діють потужні розряди.

Після цього рідкий метал, який протягом усього процесу жодного разу не стикався з повітрям, надходить в кристаллизационную камеру, яка «за сумісництвом» є ще й ливарної формою. Використовується цей метод для порівняно простих і масових виливків, для виготовлення яких не потрібно дотримуватися безліч умов.

Вакуумна заливка

Застосовується тільки в разі «елітних» матеріалів, таких як золото, титан, високоякісна сталь. При цьому метал розплавляється в умовах вакууму, а потім швидко (в тих же умовах) розподіляють по формам. Метод гарний тим, що при його застосуванні практично виключено утворення повітряних каверн і порожнин у виробі, так як кількість присутніх там газів мінімальне. Важливо пам`ятати, що вага виливків в цьому випадку не може перевищувати сотні-другої кілограмів.

Чи є можливість отримувати деталі більшої ваги?

Так, така технологія існує. Але вона може використовуватися тільки в тих випадках, коли одночасно обробляється від ста тонн стали і більше. Спершу метал плавлять в умовах вакууму, а потім розливають його не в форми, а в спеціальні формувальні ковші, які також захищені від надходження в їх порожнину повітря.

Після цього готовий розплав може бути розподілений по формам, з яких насосом попередньо також відкачали повітря. Сталь, що отримується в результаті такого технологічного процесу, досить дорога. Її застосовують для кування, а також деяких видів все того ж лиття, коли потрібно отримувати заготовки і деталі максимально високої якості.

Лиття за газифікованими (випалюваною) моделям

За якістю виливки і простоті, даний метод є одним з найбільш вигідних, а тому в сучасній промисловості він використовується все більш широко. Особливою популярністю така лиття металу, виробництво якого зростає з року в рік, користується в КНР і США, так як промислові бази цих двох країн відрізняються найбільшою потребою в якісній сталі. Перевага даного методу в тому, що він дозволяє виробляти виливки без яких би там не було обмежень по масі і розмірам.

Багато в чому цей метод схожий з описаними нами вище: так, в цьому випадку використовується первинна модель не з воску або пластиліну, а з широко поширеного нині пінопласту. Так як матеріал цей має свою специфіку, сполучну піщану суміш набивають в опоку під тиском приблизно в 50 кПа. Найчастіше даний метод практикується в тих випадках, коли необхідно зробити деталі масою від 100 грамів до двох тонн.

Втім, ми вже говорили, що якихось жорстких обмежень на розмір деталей немає. Так, за допомогою цього способу виливки можуть проводитися навіть комплектуючі для корабельних двигунів, які ніколи «скромними» розмірами не відрізнялися. На кожну тонну металевого сировини витрачається таку кількість додаткових матеріалів:

• Піску кварцового дрібного - 50 кг.
• Особливу протипригарне покриття - 25 кг.
• Гранульований пінополістирол - 6 кг.
• Щільна поліетиленова плівка - 10 кв. м.

Вся формувальнасуміш - чистий кварцевий пісок без будь-яких додаткових присадок і добавок. Він може бути приблизно на 95-97% використаний повторно, що значно підвищує економічність і знижує собівартість процесу.

Таким чином, лиття металів (фізика процесу була нами частково розглянута) - явище «багатогранне», так як на сьогоднішній день існує маса новітніх методик. Паралельно сучасна промисловість застосовує методи, які були в ходу вже кілька тисяч років тому, кілька адаптувавши їх під нинішні реалії.

Статті схожі на "Лиття металу: процес, способи, методи"

Зварювальні роботи в домашніх умовах.

Як виглядає золото 750 проби?

Бронза - це сплав. Характеристики бронзи

Блешні своїми руками. Блешні на окуня своїми руками